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1 Master 1 EEA Capteurs numériques CCD & CMOS 2 PLAN DU COURS 1 - Historique, d

1 Master 1 EEA Capteurs numériques CCD & CMOS 2 PLAN DU COURS 1 - Historique, domaine d’application et généralités 2 – Structure d’un capteur CCD 3 – Principe de fonctionnement 4 – Les capteurs couleurs 5 – Aberrations 6 – Capteurs CMOS 3 1 – Historique, domaine d’application et généralités • Les CCDs (Charge Coupled Devices) ont été inventées au laboratoire Bell en 1969 par George Smith and Willard Boyle (prix Nobel de physique 2009). • A l’origine, analogue à une mémoire magnétique (magnetic bubble memory), mais à base d’un semi-conducteur (Silicium). Le CCD n’est pas un bon support mémoire à cause du courant d’obscurité (bruit thermique). • Le CCD présente de part son design des avantages certains pour faire des vidéos ou des images. • Explosions commerciales à partir des années 80 (CCD type n). 4 Caméra numérique Endoscope avec un CCD Camescope numérique Appareil pour lire les codes barres Capteur CCD (une ligne) pour les fax Observatoires Kepler (exo-planètes) • Les CCDs sont utilisées dans de nombreuses applications (commerciales, médicales, scientifiques & militaires). • Plusieurs modes de fonctionnement (vidéo, imagerie) • Exemples : . 5 2 – Structure d’un capteur CCD • Un capteur CCD est une matrice de photo-sites permettant de discrétiser une scène. • Un photo-site est une cellule photo-sensible polarisable. • Phase = électrode • CCDs 2, 3, 4 phases voire 64 phases ! Structure simplifiée d’un photo-site +V1 +V2 +V3 Electrodes (Si polycristallin) Oxyde (SiOs) Canal enterré (Si dopé N) substrat (Si dopé P+) Couche épitaxiale (Si dopé P) photo-site 6 Bandes d’énergie Cas du sodium 7 Silicium : semi-conducteur Bande de valence (saturée) Eg Bande de conduction (vide) Bande de valence Bande de conduction Chevauchement entre les bandes de conduction et de valence Eg isolant conducteur  Semi-conducteur = propriétés intermédiaires entre isolant et conducteur / un e- puisse passer dans la bande de conduction par agitation thermique ou par l’application d’un champ électrique.  Lorsqu’un e- passe dans la bande de conduction, une “lacune” se crée dans la bande de valence. Cette “lacune” peut être assimilée à une particule virtuelle appelée trou (charge opposée à celle de l’e-).  Pour le silicium, Eg = 1,12 eV @ 300 K. 8 Taille et forme des photo-sites • La capacité d’un photo-site est proportionnelle à la surface de celui-ci. • De petits photo-sites (qq μm) favorisent une meilleure résolution angulaire, une perte de sensibilité, une diminution de la dynamique et une augmentation du bruit du fait que la capacité de stockage des charges est plus faible. • Création de nouvelles formes et tailles de photo-sites (octogones = 2,3 x carrés) par Fuji pour “résoudre” ce problème. 9 3 – Principe de fonctionnement 1. La génération de charges 3. La collection et stockage des charges 5. Le transfert de charges (la lecture) 7. La mesure des charges (chaîne de lecture) 10 a. La génération des charges  Les interactions des photons avec le silicium du CCD se font dans le domaine photo-électrique.  Lors de ces interactions, un photon cède toute son énergie à un électron appartenant à un atome de silicium.  Ceci donne naissance à une ou plusieurs paires électron (e -)/trou (h) E Bande de valence Bande de conduction Eg~1,12 eV photon photo-électron trou Question : A partir de quelle énergie est-il possible de former des photo-électrons ? 11  Le nombre de paires e-/h formées dépend de l’énergie des photons incidents.  L’énergie nécessaire pour produire une paire e-/h est w=3,65 eV pour le silicium à T = 300 K.  1 eV (électron-volt) = 1.6 10-19 J (énergie d’un e- évoluant dans un potentiel de 1 V) Question : dans quelle bande spectrale les capteurs CCD peuvent-ils être utilisés ? 12  L’efficacité quantique traduit la capacité d’un détecteur à transformer l’énergie des photons en charges (électrons & trous).  Exemples : Efficacité quantique des caméras d’XMM-Newton MOS 13  Des paires e-/h vont également être produites par agitation thermique.  Ces paires constituent un bruit par rapport au signal utile que sont les photo-électrons.  Ce bruit thermique est appelé courant d’obscurité (dark current).  Il augmente de manière exponentielle avec la température. 14 b. La collection et stockage des charges  Après interactions des photons avec le silicium, les électrons sont collectés et stockés dans chaque photo-site. Sinon, les charges vont se recombiner au bout d’un temps caractéristique . Donc,  On collecte les e- en polarisant les électrodes implantées sur chaque photo- site afin de créer un champ électrique E.  Seul le signal d’électrons est conservé au niveau du canal enterré. τ substrat (E=0) +V1 +V2 +V3 Région déplétée E Région libre de champ (E~0) (field free region - FF) t colτ.  Les charges vont se déplacer sous l’action de la diffusion.  La collection des charges dans cette zone n’est que partielle.  Les charges vont se déplacer par diffusion sur une distance plus faible (Ldiff,FF > Ldiff,S) et vont pour l’essentiel recombiner très vite (dû au fort dopage P) dans le substrat (à part à la frontière avec la couche épitaxiale).  Une zone déplétée i.e. sans porteurs mobiles (e- et h).  Cette zone est donc non- conductive et agit comme une capacité – stockage des e-. 15  Le canal enterré agit comme un puits de potentiel qui va permettre de stocker les électrons. -V +V -V E 16  Canal enterré permet de piéger les électrons collectés proche de la surface du photo-site sans qu’ils puissent diffuser thermiquement vers la zone P et/ou se recombiner avec les défauts profonds à l’interface oxyde- Si. Le puits de potentiel contient à la fois des électrons produits par les photons et l’agitation thermique. Premiers CCDs sans canal enterré – problème de recombinaison à l’interface isolant-Si. ! 17 • La capacité des puits de potentiel peut aller de quelques 104 à 106 électrons (voire plus). • La dynamique d’un CCD correspond au rapport entre l’objet le plus brillant et l’objet le plus faible visibles simultanément dans une scène. • Plus le puits de potentiel est grand et plus la gamme dynamique de la CCD est grande. • Certains CCDs peuvent avoir des gammes dynamiques très grandes (> 105). Image d’une clairière (zones sombres et lumineuses) 18 • Certains CCDs peuvent avoir des gammes dynamiques très grandes (> 105). • Plus la température augmente, plus la capacité du puits diminue. • Le registre a des tailles de puits plus importantes que pour les photo-sites de la matrice par un facteur 2-4. 19 c. Le transfert de charges - Lecture  Une fois que les charges sont stockées, elles vont être transférées de photo- sites en photo-sites jusqu’au noeud de sortie afin de mesurer la charge contenue dans chaque photo-site.  Principe du transfert de charge : Nœud de sortie Registre de sortie 20 • Les électrodes sont couplées d’un photo-site aux autres. • Ex. : pour un CCD 3 phases, la première électrode de chaque photo-site d’une colonne est portée à un potentiel V1, la seconde à V2 et la troisième à V3. • Pour décaler les charges stockées dans le photo-site ligne par ligne, il suffit d’alterner la valeur des potentiels V1, V2 et V3. Les e- sont initialement stockés sous les électrodes 1 et 2. 21 • Le cadensement du basculement des tensions de chaque électrode est contrôlé par des horloges (état haut – état bas).  L’ensemble des cadensements des horloges constitue un chronogramme. • Plus la phase est grande, plus la synchronisation des différentes horloges doit être précise. 22  Le mouvement des e- d’une électrode à l’autre se fait par : décalage auto-induit (champ de répulsion) diffusion thermique (champ électrique sur les bords du puits de potentiel - “fringing field”)  Pour que le processus de transfert de charges soit satisfaisant, il est important de limiter les pertes de charges à chaque transfert.  Ceci est mesuré par l’efficacité de transfert (CTE) ou l’inefficacité de transfert (CTI) avec CTI = 1 – CTE.  Les charges perdues suivent le pixel cible et apparaissent comme des traînées dans l’image.  Pour un bon détecteur, les niveaux de CTE sont entre 0,99999 et 0,999999 pour des paquets de charges > 1000 e-. Question : Soit un CCD de 103 x 103 pixels et CTE = 0,99999, quel sera le CTE du pixel le plus éloigné du noeud de sortie ? 23 c. La mesure des charges – chaîne de lecture • L’objectif de la chaîne de lecture est : • de récupérer les charges Q de chaque photo-site • de convertir les charges stockées (Q) en signal analogique (tension) • de numériser la valeur analogique grâce à un convertisseur analogique/numérique (CAN). • Les différents étages de la chaîne doivent être linéaires afin de préserver la relation : E dep∝Q∝ΔV ∝numero du canal Schéma de principe d’un circuit CDS (Corrected Doubled Sample) • La chaîne de lecture des signaux vidéo utilise souvent un circuit de type CDS (Correlated Double Sampling). 25 • uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-m1eea-papier-2013-pdf.pdf